Chaudronnerie en aciers inoxydables

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1 Chaudronnerie en aciers inoxydables par Jean VARRIOT Ingénieur des Arts et Métiers et de l École Supérieure de Soudure Autogène Ancien Directeur Technique aux Établissements Bignier Schmid-Laurent (Chaudronnerie, Aciers et Métaux Spéciaux) 1. Classification des aciers inoxydables... A Aciers inoxydables martensitiques et semi-ferritiques Aciers inoxydables ferritiques Aciers inoxydables austénoferritiques Aciers inoxydables austénitiques Finitions et traitements de surface Eaux de lavage et eaux d épreuves Assemblage des tubes sur les plaques tubulaires Pour en savoir plus... Doc. A 869 P our utiliser à bon escient les aciers inoxydables et choisir les meilleurs moyens et méthodes de mise en œuvre, il est indispensable de bien connaître ces aciers et leurs particularités qui conduiront aux meilleurs choix et donc aux meilleurs résultats. Les aciers inoxydables sont caractérisés par la présence de chrome en quantité minimale de 11 à 12 % qui leur confère leur caractère lié essentiellement au fait que le chrome est très facilement oxydable à l air ; cela entraîne la formation à la surface des pièces d une couche dite passive composée d oxydes durs et résistants qui fait ainsi écran en empêchant l attaque du métal par les produits corrosifs au contact desquels il peut se trouver. Il est important de bien se rappeler que tout fluide corrosif ou toute opération de fabrication susceptible de détruire cette couche passive entraînera inévitablement un risque important de destruction du métal sous-jacent. Le lecteur pourra se reporter utilement à l article Aciers inoxydables. Propriétés. Résistance à la corrosion [M 4 541] du traité Matériaux métalliques. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A 869 1

2 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Notations et Symboles Symbole Unités (1) Définition R e N/mm 2 ou MPa limite d élasticité apparente R 0,002 N/mm 2 ou MPa limite d élasticité conventionnelle à 0,2 % R m N/mm 2 ou MPa résistance à la rupture par traction A % allongement KCV daj/cm 2 valeur de la résilience sur éprouvette Charpy à entaille en V KCU daj/cm 2 valeur de la résilience sur éprouvette Charpy à entaille en U KMU daj/cm 2 valeur de la résilience sur éprouvette Mesnager à entaille en U (1) 1 MPa = 1 N/mm 2 = 0,1 hbar = 0,102 kgf/mm 2. Figure 1 Diagrammes des alliages fer-chrome C 0,01 (d après [1]) 1. Classification des aciers inoxydables 1.1 Notions de base Ces aciers contiennent du fer, majoritaire en quantité, ce qui justifie la qualité d acier, en outre, ils contiennent tous du chrome. Le carbone et le nickel vont également influer sur les qualités de ces aciers. Les autres additions qui peuvent se rencontrer sont, dans tous les cas, du manganèse et du silicium et accessoirement de l azote, du molybdène et du cuivre ; ces additions ne joueront que fort peu sur les caractères de base. 1.2 Diagrammes fer-chrome Sur ces diagrammes, représentés sur les figures 1 et 2, nous pouvons faire les remarques suivantes. Les aciers dont la droite de refroidissement traverse la boucle γ sont dits martensitiques ou semi-ferritiques, ils comportent des points de transformation. L étendue de la boucle γ dépend essentiellement de la teneur en carbone : pour C 0, l acier est martensitique jusqu à une teneur en chrome de 10,5 % environ ; pour C 0,6 %, l acier est martensitique jusqu à une teneur en chrome de 25,5 % environ. Au-delà de la boucle γ, l acier est ferritique. À partir de 25 % de chrome et jusqu à 65 à 70 %, des constituants fragiles peuvent se former au-dessous de 850 o C environ ; un de ces constituants fragiles est la phase σ. 1.3 Influence du nickel Si le nickel est ajouté en quantités inférieures à 1 %, il n a que peu d incidence sur le comportement des aciers. Entre 1 et 6 %, ses effets n offrent que peu d intérêt, mais, au-delà de 6 % à 8 %, sa présence se traduit par un effet gammagène et l acier devient austénitique à toutes les températures ; il ne comporte alors plus aucun point de transformation. Figure 2 Influence du carbone dans les alliages fer-chrome (d après [1]) 1.4 Classification L étude des aciers inoxydables doit être partagée entre différentes familles dont chacune comprendra des aciers inoxydables de comportements voisins : aciers inoxydables martensitiques et semi-ferritiques ; aciers inoxydables ferritiques ; aciers inoxydables austénoferritiques ; aciers inoxydables austénitiques. Nous étudierons séparément chacune de ces familles en examinant successivement : la composition chimique de base et les additions ; les caractéristiques mécaniques ; les traitements thermiques ; A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

3 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES le comportement sous les effets thermiques du travail à chaud et /ou du soudage ; les formages à froid et à chaud ; le soudage ; les utilisations. 2. Aciers inoxydables martensitiques et semi-ferritiques Ces deux types d aciers ont des compositions chimiques voisines et des comportements pratiquement identiques, nous n étudierons que les aciers utilisés en chaudronnerie dont la teneur en carbone est pratiquement limitée à 0,10 %. 2.1 Composition chimique et additions La composition (tableau 1) est équilibrée pour que l acier soit, d une part, entièrement austénitique à haute température et, d autre part, pour que le point figuratif coupe la boucle γ. (0) Tableau 1 Composition de base des aciers inoxydables martensitiques et semi-ferritiques Composants Teneurs Teneurs (%) Composants (%) Carbone... 0,10 Silicium... 1 Chrome... 11,5 à 13,5 Soufre... 0,03 Nickel... 0,50 Phosphore... 0,04 Manganèse... 1 Dans cette composition, la martensite, qui est le constituant principal à la température ambiante, est dure et fragile. Pour limiter cette dureté, il est nécessaire de l adoucir par traitement thermique. Il est cependant possible d éviter la contrainte des traitements thermiques en ajoutant du titane, du niobium ou de l aluminium. Le but de cette addition est de diminuer la teneur en carbone de la martensite (donc sa dureté) en piégeant le carbone sous forme de carbures de titane, de niobium ou d aluminium. On peut également trouver une addition de molybdène qui ne modifie le comportement de l acier que sous l angle de la tenue à la corrosion. 2.2 Caractéristiques mécaniques et traitements thermiques La courbe de traction de ces aciers présente la même forme et s interprète de la même façon que celle des aciers au carbone non alliés ou légèrement alliés. Nous nous intéresserons à deux types d aciers : type A : acier avec carbone au plus égal à 0,08 % sans ou avec addition d aluminium (nuances AFNOR Z 6 C 13 et Z 6 CA 13, nuances ASTM 405 et 410 S) ; type B : acier avec carbone compris entre 0,08 % et 0,12 % sans addition d aluminium (nuance AFNOR Z 12 C 13 et nuance ASTM 410). Les compositions du type A sont les plus utilisées en chaudronnerie, mais la composition du type B est utilisable moyennant un certain nombre de précautions. Le tableau 2 donne les principales caractéristiques des types A et B cités précédemment. Pour les chauffages et les traitements thermiques, il convient d éviter les atmosphères contenant de l hydrogène et de l azote. La figure 3 indique l évolution des caractéristiques mécaniques en fonction de la température de revenu après trempe. (0) Tableau 2 Caractéristiques des aciers de type A et de type B (1) Caractéristiques Type A (2) (3) Type B (3) AC 1 (4)... ( o C) 870 à AC 3 (4)... ( o C) 890 à MS (5)... ( o C) environ Traitement thermique... recuit d adoucissement de 750 à 800 o C refroidissement air calme trempe de 920 à 950 o C refroidissement air revenu à 650 o C Dureté Brinell...(HB) 120 à à 200 R m...(mpa) 420 à à 800 R 0,002...(MPa) A... (%) KCU...(daJ/cm 2 ) Recuit d adoucissement maximal à 900 o C avec refroidissement lent au four Dureté Brinell...(HB) à 160 (1) Type A : nuances AFNOR Z 6 C 13, Z 6 CA 13, ASTM 405 et 410 S ; type B : nuances AFNOR Z 12 C 13 et ASTM 410. (2) Les aciers du type A et surtout ceux comportant une addition d aluminium présentent, à température ambiante, une structure plutôt ferritique avec très peu de martensite ; ils sont beaucoup moins sensibles à la trempe que ceux du type B ; de plus, la martensite, pauvre en carbone, n est ni dure, ni fragile. (3) Pour ces types d aciers, on doit éviter tout séjour prolongé entre 450 et 550 o C, qu il s agisse d un travail à chaud ou d un fonctionnement à ces températures ; cela s appelle la fragilité à 475 o C ; la courbe des résiliences KCU, donnée figure 3, illustre bien ce phénomène. (4) Point de transformation. (5) Point de formation martensite au refroidissement. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A 869 3

4 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES 2.5 Soudage Considérations générales La présence de structures contenant de la martensite ou de la martensite plus ferrite rend ces aciers sensibles à la fissuration par l hydrogène, cela conduit à prohiber tout flux gazeux contenant de l hydrogène, toute électrode ou flux solide non basique et qui ne soit pas à bas hydrogène, toute atmosphère de chauffage susceptible de contenir de l hydrogène, tout soudage sur des pièces humides ou en présence d atmosphère trop chargée en humidité Procédés de soudage Figure 3 Influence de la température de revenu après trempe sur les caractéristiques mécaniques d un acier à 13 % de chrome et 0,1 % de carbone (d après [2]) 2.3 Comportement sous les effets thermiques du travail à chaud et /ou du soudage Les aciers du type A sont peu sensibles aux effets thermiques. Ils pourront donc être facilement forgés, travaillés à chaud et soudés moyennant quelques précautions : ne pas placer les éléments, en cours de mise en œuvre, dans les courants d air ou en présence de températures ambiantes inférieures à + 5 o C ; éviter les séjours entre 450 et 550 o C. Pour les aciers du type B plus sensibles aux effets thermiques, on devra en outre protéger les pièces contre tout courant d air et effectuer un revenu après travail à chaud et /ou soudage. 2.4 Formages à froid et à chaud Les aciers du type A livrés à l état adouci et les aciers du type B, ayant subi le traitement d adoucissement (tableau 1), peuvent être travaillés à froid sans difficulté particulière ; le rayon de pliage minimal est de l ordre de deux fois l épaisseur pour des produits d épaisseur au plus égale à 5 mm ; trois à cinq fois l épaisseur pour des épaisseurs plus importantes. En cas de basse température ambiante (au-dessous de + 10 o C), il ne faut pas effectuer de fortes déformations. Ces aciers doivent être forgés à chaud au-dessus de 900 o C, généralement entre 900 et o C, et peuvent être formés à chaud entre 850 et o C. Au moment du chauffage, il est préférable de monter régulièrement et lentement la température jusqu à 700 à 800 o C, puis rapidement ensuite jusqu à à o C ; il est recommandé de ne pas dépasser o C. Pendant le travail à chaud, éviter les courants d air sur les pièces et, après achèvement du travail, laisser refroidir lentement sous protection, toujours à l abri des courants d air. Les aciers du type A ne nécessitent aucun traitement thermique ultérieur sauf si l écrouissage à froid dépasse 15 %. Pour les aciers du type B, il est nécessaire de refaire les traitements thermiques de trempe et de revenu prévus et définis dans les notices du producteur de l acier. Les principaux procédés de soudage utilisés et utilisables sont : l arc électrique avec électrode enrobée ; l arc électrique sous argon pur ou contenant un peu d oxygène ; l arc électrique sous flux solide ; par résistance Conditions de soudage Aciers du type A Pour des épaisseurs faibles ( 10 mm), on peut les souder en utilisant des produits d apport de même composition (soudage homogène), sans préchauffage et sans traitement thermique ultérieur. Si la température des produits à assembler par soudage est inférieure à + 10 o C, il est préférable de les dégourdir à cette température avant de souder. Pour des épaisseurs supérieures à 10 mm, il est recommandé de préchauffer vers 100 à 150 o C. Dans le cas où les conditions d emploi le permettent, il est possible d utiliser des produits d apport en acier austénitique tels que, par exemple, 18 Cr-10 Ni-3 Mo ou 24 Cr-12 Ni (soudage hétérogène) ; l effet thermique sur le métal de base étant indépendant de la nature du métal d apport, toutes les indications données pour le soudage homogène sont applicables. Des précisions sur les soudages hétérogènes sont données au paragraphe 5.9. Aciers du type B La sensibilité à la trempe étant notablement plus élevée que pour les aciers du type A, les conditions à respecter sont plus sévères. Dans le cas de soudage homogène avec des produits d apport de même composition, il sera nécessaire de préchauffer entre 150 et 300 o C, la température devant être d autant plus haute que la teneur en carbone est plus élevée. Après soudage, il faudra maintenir pendant 1 à 2 heures un post-chauffage à la même température que le préchauffage, puis effectuer un revenu entre 600 et 850 o C, la température de ce revenu dépendant des propriétés mécaniques recherchées. Comme pour les aciers du type A, le soudage hétérogène est possible ; l effet thermique sur le métal de base étant indépendant de la nature du métal d apport, toutes les recommandations données pour le soudage homogène sont applicables dans toute leur rigueur. En outre, comme le traitement thermique de revenu ne peut être effectué, car il aurait un effet défavorable sur le métal fondu austénitique, il faudra que le post-chauffage soit effectué au moins à la température de transformation martensitique (environ 280 à 300 o C) et que le refroidissement qui suivra se fasse très lentement sous protection thermique. A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

5 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Remarque : quel que soit le type d acier, le soudage hétérogène n est admissible que si les conditions d utilisation sont compatibles avec les qualités respectives de l acier à 13 % de chrome et de l acier austénitique utilisé comme produit d apport. 2.6 Utilisations Les aciers inoxydables martensitiques et semi-ferritiques ne sont que très peu utilisés dans les cas de résistance à la corrosion car leur comportement est très moyen dans ce domaine. Ils ont une excellente tenue à l oxydation jusqu à 650 o C. Les plages de températures permettant l utilisation de ces aciers se situent donc de la température ambiante à 400 o C puis, de 550 à 650 o C. Des études récentes ont montré qu il était possible d améliorer les conditions de mise en œuvre de ces aciers : en recherchant une composition chimique à basse teneur en composés interstitiels et en limitant le carbone plus azote à 0,05 à 0,1 % ; en contrôlant soigneusement les conditions de laminage. 3. Aciers inoxydables ferritiques 3.1 Composition chimique et additions La composition de base comporte du carbone et du chrome, elle est équilibrée pour que l acier soit entièrement ferritique à toute température et que le point figuratif (point représentatif de la composition chimique sur le diagramme) soit en dehors de la boucle γ (figures 1 et 2). Dans ces conditions, ces aciers n ont pas de points de transformation et sont donc sensibles au grossissement des grains qui pourra résulter du travail à chaud, du soudage ou des traitements thermiques, les effets sont donc cumulatifs. Il s ensuit que tout grossissement du grain ne pourra être éliminé que par un écrouissage important suivi d un traitement thermique qui pourra opérer une recristallisation (écrouissage supérieur à 15 ou 20 %). Ils présentent par ailleurs la particularité d avoir, à haute température, une structure contenant un peu d austénite qui est donc très riche en carbone (elle contient la presque totalité du carbone de l acier). Si le refroidissement est rapide, ce qui est fréquent au cours d une opération de soudage, cette austénite se transforme en martensite dure et fragile précipitée aux joints des grains. La composition de base est donnée par le tableau 3. (0) Tableau 3 Composition de base des aciers inoxydables ferritiques Composants Teneurs Teneurs (%) Composants (%) Carbone... 0,08 Silicium... 1 Chrome à 18 Phosphore... 0,04 Nickel... 0,50 Soufre... 0,03 Manganèse... 1 Les additions rencontrées sont : le molybdène, ajouté en proportion d environ 1 %, qui améliore la tenue à la corrosion ; le titane ou le niobium qui tend à diminuer la teneur en carbone de l austénite en le piégeant sous forme de carbures (titane 10 à 12 fois le carbone) ; le niobium a le même rôle que le titane pour piéger le carbone, mais les quantités ajoutées doivent être plus importantes : niobium + tantale 15 à 20 fois le carbone (le tantale est une impureté de niobium). En outre, si le titane 4,2 (C + 2N), la tenue à la corrosion est améliorée. On trouve fréquemment dans ces aciers de l azote sous forme d impuretés ; il est très important que cet élément soit en quantité la plus faible possible ce qui diminue les composés interstitiels et, par la suite, la fragilité après effets thermiques. En général, on recommande : C + N 0,04 %. Nous citerons quelques aciers : les nuances AFNOR Z 8 C 17 et Z 8 CD ; les nuances ASTM 430 et XM Caractéristiques mécaniques et traitements thermiques La courbe de traction de ces aciers présente la même forme et s interprète de la même façon que celle des aciers au carbone non alliés ou légèrement alliés. Ces aciers sont livrés après traitement thermique effectué entre 775 et 825 o C, suivi d un refroidissement à l air. Dans ces conditions, les caractéristiques mécaniques obtenues sont très moyennes : (0) R m minimal... (MPa) 440 à 490 R 0, (MPa) 245 à 275 A...(%) 18 Il n est généralement pas donné de garanties de résilience dont les valeurs sont généralement faibles ; la température de transition, rupture ductile /rupture fragile, oscille entre 50 et 100 o C ce qui implique qu il est déconseillé d utiliser ces aciers au-dessous de la température ambiante. En fabrication, le seul traitement thermique utilisable, quand il est nécessaire, consiste en un chauffage entre 700 et 800 o C (ne pas dépasser 825 o C), suivi d un refroidissement à l air calme. La figure 4 montre les effets de la température du traitement thermique sur les caractéristiques mécaniques. Les effets recherchés par ce traitement sont : la remise en solution de la martensite qui a pu se former aux joints des grains ; l élimination des tensions internes résultant du travail à froid ; la recristallisation après un écrouissage important à froid (au moins 15 à 20 %). Il faut noter que les causes de fragilité après mise en œuvre et surtout après soudage résultent beaucoup plus de la précipitation de la martensite aux joints des grains que du grossissement modéré des grains résultant des effets thermiques. Pour les chauffages et les traitements thermiques, il convient d éviter les atmosphères contenant de l hydrogène ou de l azote. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A 869 5

6 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Figure 4 Caractéristiques mécaniques d un acier à 16,9 % de chrome (C = 0,08 %) en fonction de la température de traitement (d après [1]) 3.3 Comportement sous les effets thermiques du travail à chaud et /ou du soudage Les origines de la sensibilité de ces aciers aux effets thermiques sont : le grossissement des grains ; les précipitations de martensite aux joints de grains, essentiellement sur les aciers ne comportant pas d addition de titane ou de niobium ; la fragilisation à 475 o C, qui résulte de précipitations, entraînant un durcissement structural affectant tous les aciers contenant plus de 12 à 15 % de chrome ; la figure 5 indique pour différentes teneurs en chrome la durée nécessaire pour sensibiliser l acier en fonction de la température. Pour les aciers ferritiques à 16 à 18 % de chrome, la sensibilisation commence à partir de heures à 400 ou à 500 o C et à partir de 150 heures pour un maintien à 475 o C. 3.4 Formages à froid et à chaud Les formages à froid sont parfois difficiles si les tôles ou les plats ont plus de 5 à 6 mm d épaisseur. Pour les tôles ou les plats plus épais, il est conseillé de préchauffer vers 100 à 150 o C. Pour les pliages, le rayon intérieur doit être au moins égal à trois fois l épaisseur de la tôle. Si l écrouissage dû au formage à froid atteint ou dépasse 10 %, il est nécessaire d effectuer le traitement thermique vers 750 à 800 o C. Les formages à chaud sont plus faciles à exécuter ; ils ne doivent être effectués que dans une zone de températures allant de 600 o C (550 o C minimum) à 800 o C (825 o C maximum) pour éviter, d une part, la fragilisation par précipitation et, d autre part, un grossissement anormal des grains. Figure 5 Fragilisation à 475 o C. Courbes temps-température pour la fragilisation de différents aciers au chrome déterminées à partir d essais de pliage (d après [1]) Si le formage à chaud est achevé à au moins 550 o C, il n y a aucun traitement thermique à effectuer ; en revanche, s il est achevé au-dessous de 550 o C, il y a un risque de fragilisation et il faudra traiter thermiquement après formage. 3.5 Soudage Précautions et procédés Les précautions qui seront prises pour que le soudage s opère dans de bonnes conditions et que les résultats en soient satisfaisants seront orientées pour éviter : un trop fort grossissement du grain ; il faudra donc travailler en soudage froid : faible énergie et grande vitesse ; des précipitations martensitiques aux joints des grains dans le cas des aciers ne comportant pas d addition de titane ou de niobium ; il faudra veiller à ce que le refroidissement de la soudure et de la zone affectée thermiquement ne soit pas trop rapide. Ces deux conditions sont difficilement conciliables, mais, si l on tient compte du fait que le grossissement du grain entraîne notablement moins de fragilité que les précipitations martensitiques, les paramètres de soudage à adopter viseront à obtenir une énergie de soudage moyenne et les pièces à souder ou soudées devront être le mieux possible protégées contre un refroidissement trop rapide. Les principaux procédés de soudage utilisés et utilisables sont : l arc électrique avec électrode enrobée ; l arc électrique sous argon pur ou contenant un peu d oxygène ; l arc électrique sous flux solide ; par résistance. A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

7 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Pour l utilisation correcte de ces différents procédés, il faudra tenir compte que, du fait de la présence de ferrite et accessoirement de martensite, ces aciers sont sensibles à la fissuration par l hydrogène. Cela conduit à prohiber tout flux gazeux contenant de l hydrogène, toute électrode ou flux solide non basique et qui ne soit pas à bas hydrogène, toute atmosphère de chauffage susceptible de contenir de l hydrogène, tout soudage sur pièces humides ou en présence d atmosphère trop chargée en humidité Soudage des aciers ferritiques sans titane ou niobium Quel que soit le type de soudage, homogène ou hétérogène, l effet thermique sur le métal de base est le même, il s ensuit que les précipitations martensitiques qui en résultent doivent être remises en solution par un traitement thermique entre 750 et 800 o C. Le soudage homogène est donc le seul utilisable ; en effet, dans le cas d un soudage hétérogène avec un produit d apport austénitique, ce traitement thermique, favorable pour le métal de base, serait désastreux pour le métal fondu en provoquant des précipitations de carbures de chrome ( et 5.7.3). Le soudage par résistance constitue un cas particulier, car il ne comporte pas de produit d apport et il a été constaté que des paramètres bien réglés permettaient d éviter un traitement thermique ultérieur Soudage des aciers ferritiques comportant une addition d éléments avides de carbone (titane, niobium, éventuellement aluminium ou autre) Les soudages homogènes ou hétérogènes sont utilisables sans qu il soit nécessaire de traiter thermiquement après soudage. Il est bon cependant de vérifier sur éprouvette que les paramètres utilisés pour le soudage n entraînent pas de fragilité anormale. Le soudage par résistance se pratique exactement comme pour les aciers sans addition. Remarques a ) Des précisions sur le soudage hétérogène sont données au paragraphe 5.9. b ) Le soudage hétérogène n est admissible que si les conditions d utilisation sont compatibles avec les qualités respectives de l acier à 17 % de chrome et de l acier austénitique utilisé comme produit d apport. 3.6 Utilisations La résistance à la corrosion de ces aciers est bien meilleure que celle des aciers martensitiques ou semi-ferritiques. Le meilleur comportement en tenue à la corrosion est obtenu après traitement thermique entre 750 et 800 o C. Ce traitement est normalement celui subi par tous les produits avant livraison ; cela veut dire que, en principe (il peut y avoir des exceptions), les aciers comportant une addition de titane ou niobium, qui ne sont pas traités thermiquement après soudage, résisteront moins bien. D une manière générale, on peut dire que, à l état traité, ils ont : une bonne tenue à la corrosion par piqûres ou sous tension en présence de fluides halogénés tels que les chlorures ou les fluorures, surtout s ils contiennent du molybdène ; une tenue très moyenne à la corrosion intergranulaire ( ). Ces aciers ne sont pas recommandés pour l exécution d appareils à pression, les faibles allongements et les basses résiliences rendant aléatoire la sécurité en service sous pression. Les températures d utilisation vont de la température ambiante jusqu à 350 o C et de 575 à 800 o C. 4. Aciers inoxydables austénoferritiques Pour éviter toute ambiguïté et toute confusion avec certains produits d apport utilisés pour le soudage des aciers austénitiques et dits à structure austénoferritique, dont la teneur en ferrite ne dépasse pas 10 à 15 % et dont le comportement est strictement identique à celui des aciers austénitiques qu ils concourent à assembler, nous précisons que les aciers étudiés dans ce paragraphe ont une teneur en ferrite minimale de l ordre de 40 à 60 %. 4.1 Composition chimique et additions La composition de base, qui englobe plusieurs nuances, est donnée dans le tableau 4. Le pourcentage des trois constituants principaux est équilibré pour que, vers à o C, l alliage soit biphasé et constitué par un agrégat ferrite-austénite comportant, en moyenne, environ 50 % de ferrite. Cette proportion de ferrite dépend, bien sûr, de la composition, comme le montrent les figures 6 et 7 mais également, et dans de fortes proportions, de la température à laquelle les produits ont été traités thermiquement, comme le montre la figure 8. Ces dépendances ainsi que, comme nous le verrons, la nécessité de ne pas avoir une teneur en ferrite dépassant 60 à 70 % déterminent dans une large mesure les conditions de mise en œuvre et de soudage. (0) Composants Tableau 4 Composition de base des aciers austénoferritiques Teneurs Teneurs (%) Composants (%) Carbone... 0,05 Silicium... 1 Chrome à 26 Soufre... 0,01 Nickel... 3,5 à 7,5 Phosphore... 0,035 Manganèse... 2 Les additions rencontrées et qui ne modifient pas, dans des proportions sensibles, le comportement de ces aciers sont : le cuivre et /ou le molybdène pour améliorer la tenue à la corrosion vis-à-vis de certains fluides corrosifs ; l azote pour remonter les caractéristiques mécaniques. Les principales nuances sont normalisées en France (NF A ). 4.2 Caractéristiques mécaniques et traitements thermiques La courbe de traction de ces aciers présente la même forme et s interprète de la même façon que celle des aciers au carbone non alliés ou légèrement alliés. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A 869 7

8 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Figure 7 Coupe de diagramme Fe-Cr-Ni pour la teneur en chrome de 20 % (d après [3]) Figure 6 Diagramme d équilibre Fe-Cr-Ni à o C (d après [3]) Ces aciers sont livrés après traitement d austénitisation vers à o C suivi d un refroidissement rapide à l air ou à l eau. Dans ces conditions, les valeurs minimales garanties des caractéristiques mécaniques, données par la norme NF A pour le Z 2 CNDU 22-07, sont les suivantes : (0) R m...(mpa) 630 à 800 R 0,002 (pour e 20 mm)...(mpa) 400 A (pour e 3 mm )...(%) 25 KCV à 20 o C (en daj/cm 2 ) : en long en travers... 8 Les variations des caractéristiques mécaniques R m, R 0,002 et A en fonction de la teneur en nickel sont indiquées sur la figure 9 ; plus cette teneur est basse, plus la teneur en ferrite est élevée et plus les caractéristiques de résistance à la rupture et de limite élastique sont élevées ; c est la raison pour laquelle on doit veiller à ce que la teneur en ferrite ne dépasse pas certaines limites. Le tableau 5 montre pour deux aciers, un austénitique Z 6 CN et un austénoferritique Z 5 CNDU 21-08, tous deux dans le même état hypertrempé vers à o C, les différences des caractéristiques mécaniques. (0) Figure 8 Évolution de la teneur en ferrite en fonction de la température (d après [3]) Tableau 5 Caractéristiques de la nuance austénitique Z 6 CN et de la nuance austénoferritique Z 5 CNDU Caractéristiques Z 6 CN Z 5 CNDU Ferrite...(%) 0 35 R 0, (MPa) R m... (MPa) A...(%) KCU...(daJ/cm 2 ) Figure 9 Variation des caractéristiques mécaniques en fonction de la teneur en nickel (d après [1]) A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

9 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Après les opérations de fabrication et de soudage, on peut être amené à rechercher les effets ci-après : la recristallisation après des écrouissages trop importants (> 15 à 20 %) ; l élimination des contraintes internes ; la remise en solution des précipitations internes ; l abaissement du taux de ferrite. Pour obtenir un ou plusieurs de ces effets, le seul traitement thermique applicable est celui défini précédemment et utilisé pour obtenir l état de livraison. Pour les chauffages et les traitements thermiques, la présence d une importante quantité de ferrite conduit à prohiber les atmosphères contenant de l hydrogène. 4.3 Comportement sous les effets thermiques du travail à chaud et/ou du soudage Les notions de base, qui permettent de comprendre le comportement de ces aciers sous les effets thermiques et donc de choisir les conditions à appliquer pour les formages à chaud et /ou le soudage, sont les suivantes. Plus la température atteinte pendant ces opérations est élevée, plus la teneur en ferrite sera élevée (figure 8) et, par suite, plus R m et R 0,002 seront élevées et plus A sera bas. Il faut donc s arranger pour que les séjours au-delà de o C soient aussi courts que possible. En partant de la température atteinte, la vitesse de refroidissement conditionne les proportions de ferrite (α) et d austénite (γ ). Pour les compositions indiquées, l acier est ferritique au-delà de o C et tous les éléments gammagènes sont dissous dans la ferrite ; si l on refroidit trop rapidement, il restera encore des éléments dans la ferrite, toute l austénite possible ne sera pas formée et il y aura excès de ferrite. Le refroidissement devra donc être rapide, mais sans excès, on préférera donc utiliser l air calme de préférence à l air soufflé ou à l eau. Les vitesses de diffusion des éléments constitutifs sont plus élevées dans la ferrite que dans l austénite, il s ensuit que s il doit y avoir des précipitations de carbures de chrome, ceux-ci seront prélevés dans la ferrite riche en chrome et, par suite, il n y aura pas de conséquence sur la tenue à la corrosion ; l austénite conservera donc tout son chrome et le risque de corrosion intergranulaire ne sera pas à craindre (figure 10). Les séjours à des températures inférieures à 950 ou o C entraînent des précipitations (figures 11 et 12) : de carbures de chrome entre 550 et 900 o C ; de composés intermétalliques entre 400 et 500 o C, provoquant un durcissement structural qui est, du reste, utilisé pour certains types de fabrication (corps de fusées par exemple), mais qui est très gênant en construction chaudronnée ; de phase σ dure et fragile, après par exemple un séjour de quelques minutes à 900 o C ; cette précipitation de phase σ peut être remise en solution par le traitement thermique défini au paragraphe Formages à froid et à chaud Les formages à froid sont plus difficiles à exécuter que sur les aciers austénitiques, du fait du niveau nettement plus élevé de la limite élastique ; les outillages devront donc être plus résistants et les puissances mises en jeu plus élevées. De plus les allongements Figure 10 Répartition du chrome au voisinage d un joint de grain à l état hypertrempé et après un traitement de sensibilisation (d après [3]) Figure 11 Courbe de début de précipitation de la phase sigma, par maintiens isothermes, pour l acier austénoferritique Uranus 50 (d après [3]) ne sont pas très importants, il faudra donc fréquemment opérer en plusieurs passes avec des traitements thermiques intermédiaires. Un dégourdissage entre 30 et 100 o C facilite le travail. Pour des déformations simples telles que le pliage et le roulage, il ne faut pas chercher à obtenir : en pliage, des rayons intérieurs plus faibles que trois fois l épaisseur si cette dernière est au plus de 6 à 8 mm et quatre fois l épaisseur si celle-ci est supérieure à 8 mm ; en roulage, si e/d > 5 %, il faut vérifier que l écrouissage atteint ne risque pas de perturber la tenue à la corrosion, sinon, il faut traiter thermiquement ; si e/d > 10 %, il est nécessaire de traiter thermiquement après cette déformation. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A 869 9

10 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Figure 12 Variation des caractéristiques mécaniques de l Uranus 50 en fonction de la température de revenu (d après [3]) Dans le cas de déformations multisens telles que des emboutissages sphériques par exemple, les valeurs des rapports e/d sont ramenées de 5 à 3 % et de 10 à 7 %. Dans le cas particulier des fonds en anse de panier, le rapport e/d n est pas utilisable, il est seulement possible de mesurer la variation de dureté superficielle mais celle-ci n est pas du tout précise ; aussi, il est fortement conseillé pour ces aciers d exécuter les fonds en anse de panier en raccordant par soudage des éléments de plus faibles dimensions emboutis séparément et préalablement à froid. Les formages à chaud, bien que faciles à réaliser, ne doivent cependant être utilisés que si aucune autre solution de formage à froid n est possible. En effet, comme nous l avons vu au paragraphe 4.3, les risques peuvent être importants si les températures ne sont pas parfaitement maîtrisées. Les formages à chaud doivent être effectués entre 950 o C et à o C au maximum ; si la température de fin de formage est inférieure à o C, un traitement thermique sera nécessaire et la vitesse de refroidissement correspondra à celle obtenue en air calme. 4.5 Soudage Les aciers inoxydables austénoferritiques se soudent sans difficulté si un certain nombre de précautions, qui toutes visent, bien entendu, à maintenir au voisinage de 50 % le taux de ferrite dans le métal fondu et dans la zone thermiquement affectée, ont été prises. Aucun traitement thermique après soudage n est nécessaire sauf : si le taux de ferrite est trop élevé dans l assemblage soudé ; si la résistance à la traction dépasse 800 N/mm 2 car les pliages à 3e ou 4 e (selon le cahier des charges) ne seront pas satisfaisants. Pour aboutir pendant l opération de soudage à maintenir le taux de ferrite à une valeur satisfaisante, les moyens utilisables sont les suivants : utiliser l argon pur comme gaz de protection endroit ; à l envers, on peut utiliser soit de l argon pur, soit de l azote pur ; utiliser un produit d apport de même composition, mais avec une teneur en nickel de 1 à 2 % plus élevée ; le soudage sans métal d apport conduit à une teneur en ferrite plus élevée dans le métal fondu et nécessite un traitement thermique après soudage ; utiliser un métal d apport contenant de l azote ; éviter les préparations des bords qui visent à diminuer la proportion de produit d apport incorporé dans le métal fondu ; les préparations bord à bord, sans chanfrein, utilisées pour le soudage plasma en une seule passe pour les épaisseurs de 3 à 7 mm, sont donc défavorables ; éviter le soudage en une seule passe avec une faible énergie qui conduit à un refroidissement trop rapide et donc à une teneur en ferrite élevée ; employer, dans la mesure du possible, un procédé de soudage en deux passes au minimum. Tous les procédés de soudage peuvent convenir en appliquant les remarques et les recommandations ci-avant. La description de ces procédés est à voir au paragraphe Ces aciers comportant une forte teneur en ferrite, il est déconseillé d utiliser des gaz de protection contenant de l hydrogène. En dehors des cas où les assemblages soudés nécessiteraient soit un détensionnement (fortes épaisseurs, soudures bridées, etc.), soit un adoucissement (teneur en ferrite trop élevée), il est inutile de traiter thermiquement après soudure. 4.6 Utilisations Les aciers inoxydables austénoferritiques sont particulièrement destinés à la fabrication d appareils pour l industrie chimique et pour des températures de fonctionnement comprises entre 50 o C et à o C suivant les nuances. Ils ont des propriétés de tenue à la corrosion différentes et complémentaires de celles des aciers austénitiques. En particulier, ils ne sont pas sensibles à la corrosion intergranulaire, même après formage à chaud et soudage ; ils ne sont pas non plus sensibles à la corrosion fissurante sous tension. Les joints entre les grains des phases α et γ constituent des barrières à la propagation des fissures qui pourraient éventuellement se produire dans un grain γ. Ces aciers se comportent bien en présence des eaux de mer, des atmosphères marines ou des solutions contenant des chlorures ; ils ont un excellent comportement vis-à-vis des solutions phosphoriques ou des solutions sulfuriques diluées jusque vers 80 o C et concentrées jusque vers 30 à 35 o C. 5. Aciers inoxydables austénitiques 5.1 Composition chimique et additions Éléments de base Ce sont essentiellement le chrome et le nickel : le chrome doit être supérieur à 16 % pour assurer l inoxydabilité ; le nickel doit être supérieur à 8 % pour obtenir la structure austénitique. A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

11 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES En outre, ces aciers contiennent tous : du carbone dont la teneur peut être classée en trois catégories : C 0,030 % : aciers dits à bas carbone, 0,03 % < C 0,08 % : aciers dits à carbone moyen, C > 0,08 % : aciers dits à carbone élevé ; du manganèse dans la limite maximale de 2 % sauf cas particuliers ; du silicium dans la limite maximale de 1 % sauf cas particuliers ; du soufre et du phosphore en tant qu impuretés dans la limite maximale de 0,040 % Additions diverses Ces diverses additions correspondent à la recherche d un effet particulier et peuvent être un ou plusieurs de ceux définis ci-dessous. a ) Stabilisation du carbone, pour éviter la formation de carbures de chrome lorsque la teneur en carbone dépasse 0,030 % et pour protéger l acier contre le risque de corrosion intergranulaire ( ) : par addition de titane : 4 à 5C Ti 0,6 % par addition de niobium plus tantale : 8 à 10 C Nb + Ta 1,1 % b ) Amélioration de la résistance à la corrosion en présence de certains fluides : par addition de molybdène dans la proportion, sauf cas particuliers, de 2 à 4 %, qui améliore la tenue à la corrosion en présence de produits halogènes ou d acides réducteurs ; par addition de cuivre dans la proportion, sauf cas particuliers, de 1 à 2 % qui améliore la tenue à la corrosion en présence, par exemple, d acide sulfurique ; par addition de silicium dans la proportion de 3 à 4 % qui améliore la tenue à la corrosion en présence d acide nitrique très concentré (supérieur à 85 % en acide pur). c ) Amélioration des caractéristiques mécaniques par addition d azote dans la proportion de 0,12 à 0,20 % ; en l absence d addition volontaire d azote, les aciers austénitiques peuvent en contenir sous forme d impuretés dans la limite maximale de 0,08 à 0,10 %. d ) Amélioration des caractéristiques de fluage au-delà de 500 o C par addition de bore dans la limite maximale de 0,004 5 % (la norme NF A indique jusqu à 0,006 0 %, mais il est préférable de se tenir en dessous). e ) Recherche de conditions particulières : diminution des risques de fissuration au cours du soudage, par addition de manganèse dans la proportion de 6 à 8 % dans les aciers de base et surtout dans les produits de soudage des nuances 25 Cr et 20 Ni et 18 Cr-8 Ni sans ou avec molybdène ( 5.9.2) ; en variante des nuances classiques en remplaçant une partie du nickel par du manganèse dans la proportion de 6 à 10 %, la teneur en nickel se trouvant alors ramenée de 10 % à 5 à 8 % ; renforcement de la tenue à l oxydation aux hautes températures par augmentation de la teneur en silicium jusqu à environ 1,5 %. Remarque : ces variations importantes des compositions entraînent évidemment des différences de comportement en fabrication et en soudage, ce qui implique une classification pour l étude de ces aciers. 5.2 Caractères généraux des structures austénitiques Les structures austénitiques ont des caractères très particuliers qu il faut bien connaître pour déterminer les conditions optimales de mise en œuvre et de soudage. a ) La structure est entièrement austénitique à l état de livraison après hypertrempe entre et o C suivie d un refroidissement rapide à l air ou à l eau ; la faible teneur en ferrite que l on peut constater (entre 0 et 5 %) ne modifie absolument pas le comportement global. La cristallisation est cubique à faces centrées, ce qui conduit à de fortes capacités de déformation. b ) Absence de point de transformation : il s ensuit qu il ne pourra y avoir de recristallisation (donc d affinage des grains) que s il y a eu, préalablement au traitement thermique, un écrouissage suffisant (au minimum 20 à 25 %). Cela veut également dire que si l on traite thermiquement des pièces ou des ensembles inégalement écrouis ( 5.5.2), seules seront recristallisées les parties fortement écrouies (plus de 20 %) ; dans les autres parties ayant subi des écrouissages plus faibles, on constatera un grossissement du grain et, dans l ensemble, les contraintes internes auront tendance à augmenter. c ) Possibilité d apparition de ferrite à la suite d effets thermiques différents de celui du traitement thermique d hypertrempe ou tels que ceux provoqués par le formage à chaud ou le soudage : les phénomènes entraînant la formation de ferrite doivent être parfaitement contrôlés et maîtrisés car, pour certaines applications, il faut des taux de ferrite ultra-bas ( 1 %) ou pour d autres, soit des taux de ferrite compris entre 5 et 8 %, soit des taux de ferrite inférieurs à 8 % ( ). Le taux de ferrite existant sur un produit quelconque peut être déterminé, soit par micrographie, soit par mesure du magnétisme ; en effet, la ferrite est magnétique alors que l austénite est amagnétique. Le taux de ferrite d un produit de base n est pas invariable, si, par exemple, on exécute sur une tôle une ligne de fusion en soudage TIG et que l on mesure le taux de ferrite du métal fondu, on s apercevra, d une manière générale, qu il aura augmenté par rapport au métal de base. Cela provient du fait qu un traitement thermique d hypertrempe à refroidissement rapide maintient la ferrite en solution alors qu un effet thermique différent, en tant que température et condition de refroidissement résultant de la ligne de fusion, provoque une précipitation de ferrite par le biais de la composition chimique se trouvant en puissance dans l acier. Il est donc très important de pouvoir déterminer, d après l analyse chimique, le pourcentage de ferrite susceptible d apparaître dans le métal fondu à la suite, en particulier, d une opération de soudage. Cette détermination est possible en partant de diagrammes et de formules existantes (Schaeffler, de Long, etc.). Dans la pratique, nous avons complété le diagramme de Schaeffler en faisant intervenir des éléments tels que l azote, le cuivre, le niobium, le titane, le tungstène, l aluminium et en limitant à 2 % maximum l influence du manganèse. Ce diagramme, sur lequel sont notées les zones autres que les zones austénite et austénite plus ferrite ainsi que les risques que ces différentes zones peuvent présenter, est donné figure 13 avec les formules de calcul du taux de ferrite. Ces renseignements sont très utiles dans le cas des soudages hétérogènes. Le calcul, dans le cas d assemblage de deux métaux de base identiques au moyen d un produit d apport différent, peut être le suivant. Soient : [Cr] 1 et [Ni] 1 les équivalents Cr et Ni du métal de base ; [Cr] 2 et [Ni] 2 les équivalents Cr et Ni du produit d apport (analyse sur métal déposé) ; d la dilution, exprimée en pour-cent, du métal de base incorporé dans le métal fondu F. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A

12 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Les équivalents [Cr] F et [Ni] F du métal fondu sont : d 100 d [ Cr] F = [ Cr ] [ Cr ] d 100 d [ Ni] F = [ Ni] [ Ni] Il est ensuite facile de déterminer la zone dans laquelle se trouve le point figuratif du métal fondu. Le calcul serait le même si l on devait assembler deux métaux de base non identiques entre eux au moyen d un produit d apport différent des deux métaux de base. Il faudrait alors faire intervenir les taux de dilution qui peuvent varier suivant chacun des deux métaux de base. Indépendamment du cas très particulier des soudages hétérogènes, nous devons noter que le diagramme de Schaeffler a été établi dans l hypothèse du soudage à l arc avec des électrodes enrobées et que l emploi de procédés n ayant pas les mêmes effets thermiques conduit à des taux de ferrite réels différents de ceux calculés. Il sera donc toujours nécessaire de faire des essais, mais le calcul préalable fera gagner du temps pour la mise au point des paramètres de soudage. Il faut également savoir que les mesures directes des taux de ferrite sur les soudures, avec des appareils correctement étalonnés, donnent des résultats avec une précision de ± 1 %. d ) La courbe de traction diffère de celle des aciers au carbone non alliés ou légèrement alliés ce qui confère à ces aciers un comportement très particulier ( 5.3.1). e ) Ces aciers ont un bon comportement aux basses et très basses températures (jusqu à 269 o C, soit 4 K). f ) Ils ont une bonne stabilité aux températures élevées. g ) Leur coefficient de dilatation linéique est de l ordre de 1,6 à 1,8 mm /(m 100 o C) ou à K 1 contre 1,2 mm/(m 100 o C) ou K 1 pour les aciers ferritiques. 5.3 Caractéristiques mécaniques Caractéristiques de traction Le point le plus important découle de la forme particulière de la courbe de traction représentée figure 14 : il n y a plus de droite de proportionnalité efforts/déformations et on ne trouve plus de zone d instabilité plastique permettant de définir avec précision la limite élastique de l acier. On peut dire que ces aciers n ont pas de limite élastique parfaitement définie ; il se produit donc un fluage, même à la température ambiante, et cela quel que soit l effort exercé. En cas de maintien de la charge pendant un certain temps, on constate que la déformation par fluage s arrête, il y a donc un effet de consolidation. Un examen approfondi de la figure 14 montre, d une part : la courbe de traction normale OACR d un acier hypertrempé ; le module d élasticité apparent, qui correspond au coefficient angulaire de la droite OE, de l ordre de à MPa et donc plus faible que celui des aciers ferritiques. Figure 13 Diagramme de Schaeffler Figure 14 Étude du comportement mécanique d un acier austénitique A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

13 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES D autre part, en soumettant l éprouvette à des successions de charge et de décharge, on constate : charge au niveau A : courbe OA ; décharge au niveau O : droite AB ; il subsiste un allongement résiduel par fluage de valeur OB ; charge au niveau C : courbe BAC ; décharge au niveau O : droite CF ; il subsiste un nouvel allongement résiduel par fluage de valeur BF ; charge au niveau D : droite FD ; décharge au niveau O : droite DF ; il y a maintenant une véritable droite de proportionnalité FC et, par suite, une limite d élasticité plus facilement mesurable. De ce qui précède, on peut tirer les enseignements suivants. Selon la précharge effectuée ou selon le degré d écrouissage, le niveau de la limite élastique à 0,2 % est différent. Ce n est pas une valeur fiable et il est donc préférable d effectuer la détermination des épaisseurs en partant de la résistance à la rupture à la température de calcul. Lorsque la température de calcul est très élevée (supérieure à 450 ou 500 o C), la vérification des épaisseurs doit être faite en partant des caractéristiques mécaniques en fluage. Dans la limite d un écrouissage de 10 %, obtenu soit par l utilisation de produits préécrouis, soit par mise sous pression hydraulique de l appareil terminé, la résistance à la rupture n est pas affectée et l acier conserve toutes ses possibilités d allongement et de déformation plastiques. On peut donc considérer une épreuve hydraulique comme une opération de stabilisation. En pratique, il n y a que peu d intérêt à dépasser 5 % d écrouissage, lesquels peuvent être obtenus avec : 5 % d allongement par étirage ; 4,5 % de perte d épaisseur par laminage ; 4,5 % d allongement dans une paroi cylindrique ; 2,5 % d allongement dans une paroi sphérique. On constate, en outre, que dans la limite maximale de 5 à 10 % d écrouissage de produits préalablement écrouis, puis assemblés par soudage, la soudure avec son effet thermique ne constitue pas un point faible puisque, dans la plupart des cas, la rupture en traction d un assemblage soudé se produit hors de la soudure et hors de la zone affectée thermiquement. Il en résulte qu un écrouissage par mise sous contrainte à x MPa confère au métal une véritable limite d élasticité au moins égale à 90 % de x. Les différences de compositions se situent soit au niveau des teneurs des éléments constitutifs, soit au niveau des additions Groupe A. Aciers austénitiques utilisés en dehors du fluage en dessous de 400 à 500 o C Ces aciers sont, en particulier, les nuances définies dans les normes NF A , NF A et NF A Leurs principales applications sont : l absence de pollution sur les produits contenus ; la tenue à la corrosion ; les basses et très basses températures. Les fourchettes des compositions chimiques des nuances classées dans ce groupe sont données dans le tableau 6. (0) Tableau 6 Composition de base des aciers austénitiques du groupe A Constituants Teneurs (%) Carbone : acier à bas carbone... 0,030 acier à moyen carbone.. 0,03 à 0,08 Chrome à 18 ou à 20 Nickel... 8 à 14 ou à 16 Manganèse... 1,5 (2 maximum) Silicium... 0,5 à 0,7 (1 maximum) Les additions rencontrées sont : le titane ou le niobium plus tantale lorsque C > 0,03 %, si l on veut stabiliser l acier en évitant la formation de carbures de chrome ; le molybdène, entre 2 et 4 % suivant les nuances, pour améliorer la tenue à la corrosion au contact de certains agents corrosifs (par exemple, fluides halogénés, acides réducteurs) ; l azote, entre 0,12 et 0,20 %, pour améliorer les caractéristiques mécaniques Résilience Les valeurs de résilience KCV sont toujours excellentes et ne présentent jamais le caractère de rupture fragile, même aux basses températures (suivant les nuances 269 ou 196 o C). Il faut cependant noter que, si sur les produits laminés, étirés ou forgés, les niveaux de ces résiliences sont en moyenne de l ordre de 10 à 15 daj/cm 2, dans le métal fondu des soudures, du fait du type de cristallisation, les niveaux sont un peu plus bas et de l ordre de 4 à 8 daj/cm 2 mais sans jamais présenter le caractère de rupture fragile. Certains procédés de soudage, sous argon, TIG par exemple, permettent d atteindre 8 ou 9 daj/cm 2, mais ils ne sont pas toujours utilisables sur les épaisseurs à souder ( 5.9.1). 5.4 Classification des nuances d aciers inoxydables austénitiques Dans cette famille, les variations de compositions chimiques sont telles que nous sommes conduits à les séparer en groupes plus faciles à étudier du point de vue de leurs qualités et de leurs applications. Remarques Lorsque l acier de nuance AFNOR Z 6 CN (ou ASTM 304) doit être utilisé aux très basses températures, il y a lieu de limiter le carbone à 0,06 %. La présence de molybdène n apporte aucune amélioration dans le comportement aux très basses températures. Dans les nuances à bas carbone C 0,030 %, une partie du nickel peut être remplacée par du manganèse ; dans ce cas il y a toujours addition d azote. C est le cas de la nuance Z 3 CMN Az qui remplace avantageusement la nuance Z 2 CN Az et encore mieux la nuance Z 2 CN ; elle a, en effet, les mêmes comportements aux très basses températures et en tenue à la corrosion tout en ayant des caractéristiques mécaniques plus élevées ; les épaisseurs calculées seront donc plus faibles Groupe B. Aciers austénitiques résistant mécaniquement aux températures moyennement élevées Ces aciers, employés à des températures supérieures à 400 ou 500 o C et jusqu à 650 ou 750 o C, correspondent, en particulier, aux nuances définies par la norme NF A et à quelques nuances de la norme NF A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A

14 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Leurs principales applications sont : le fonctionnement en condition de fluage, les caractéristiques mécaniques en fluage sont excellentes ; la bonne résistance à l oxydation à des températures toutefois limitées à 700 ou 750 o C ; la bonne tenue à la corrosion pour les nuances stabilisées par une addition de titane ou de niobium plus tantale ; dans ces domaines de températures, les attaques corrosives sont surtout à craindre pendant les périodes de démarrage et d arrêt des appareils et lorsque les températures sont inférieures à 300 ou 400 o C. Pour toutes les nuances de la norme NF A citée plus haut, à l exception cependant de la nuance Z 6 NCTDV B qui constitue un cas particulier et pour laquelle il y a lieu de consulter les aciéristes, les fourchettes de composition sont données dans le tableau 7. (0) Tableau 7 Composition de base des aciers austénitiques du groupe B Constituants Les additions rencontrées sont : le titane ou niobium plus tantale, pour les mêmes raisons que dans le groupe A ; le molybdène pour des raisons de tenue à la corrosion comme dans le groupe A et pour améliorer le comportement aux températures élevées ; le bore pour améliorer les caractéristiques de fluage, mais sa teneur doit être limitée à 0,004 5 % ou 45 ppm ( 5.1.2) pour éviter des risques de fissuration en soudage et pendant l utilisation aux températures élevées ; le tungstène, ajouté dans une seule nuance, pour améliorer les caractéristiques mécaniques ; mais cette nuance n a qu une très médiocre résistance à la corrosion et ne doit être utilisée que pour des applications très particulières et en suivant les conseils des aciéristes Groupe C. Aciers réfractaires pour températures élevées Teneurs (%) Carbone... > 0,03 Chrome à 19 Nickel à 14 Manganèse... 1,5 (2 maximum) Silicium... 0,5 à 0,7 (1 maximum) Généralités La diversité des compositions chimiques est telle que pour les définir, nous sommes conduits à les diviser en trois sous-groupes. Les principales applications sont à peu près communes pour ces sous-groupes qui ne représentent en fait que trois moyens permettant d aboutir aux mêmes résultats. Les nuances concernées présentent une bonne tenue à l oxydation aux températures élevées pouvant aller jusqu à à o C ; les caractéristiques de fluage sont peu élevées et le comportement en corrosion est généralement mauvais aux températures inférieures à 300 ou 400 o C suivant la nuance. Dans ce groupe, se trouvent en particulier les nuances définies par la norme NF A ; bien que cette norme ne le précise pas, dans tous les cas, la teneur en carbone doit être supérieure à 0,04 % Premier sous-groupe Il comprend les nuances axées autour de 18 % de chrome et 8 % de nickel ; certaines figurent dans le groupe B (nuances de bore), d autres sont dérivées du groupe A. Elles sont caractérisées par : une teneur en carbone plus élevée : jusqu à 0,12 ou 0,20 % ; une teneur en nickel légèrement remontée vers 10 à 14 % ; une teneur maximale en silicium remontée jusqu à 1,2 % ou entre 1,5 et 2,5 % suivant les cas. Ces compositions chimiques ont pour objet : de ne pas trop baisser les caractéristiques de fluage grâce à l augmentation du carbone ; d améliorer la tenue à l oxydation au moyen d une augmentation des teneurs en nickel et en silicium pour les températures d utilisation dépassant 750 à 800 o C Deuxième sous-groupe Il comprend les nuances axées autour de 24 ou 25 % de chrome et 12 ou 20 % de nickel (nuances types et 25-20). Ces nuances sont caractérisées par : les teneurs en carbone élevées : 0,15 à 0,20 % ; les teneurs en manganèse normales : maximum 2 % ; la teneur en silicium remontée jusqu à 1,5 à 2,5 % pour un cas, pour des raisons identiques à celles du premier sous-groupe. Ces deux types de nuances qui comportent une teneur en chrome élevée sont sensibles à la formation de phase σ au cours de séjours prolongés au-dessous de 900 o C ; il est donc déconseillé d utiliser ces nuances à des températures comprises entre 300 et 900 o C (au-dessous de 300 o C, il n y a plus de risques) Troisième sous-groupe Il comprend des nuances axées autour de 35 % de nickel et 18 % de chrome. Le carbone est de l ordre de 0,05 à 0,10 %. Le silicium est remonté entre 1 et 2 % ou entre 1,5 et 2,5 % pour les nuances particulièrement destinées à la tenue à l oxydation aux hautes températures. Les différentes nuances classables dans ce troisième sous-groupe ont les propriétés communes suivantes : elles ne présentent aucun risque de fragilisation par la phase σ ; elles sont austénitiques mais pas totalement amagnétiques, car l austénite, riche en nickel, est magnétique ; leurs caractéristiques de fluage sont modestes ; aux températures élevées, elles présentent une bonne résistance à l oxydation et à la carburation, mais du fait de leur teneur élevée en nickel, elles ne doivent pas être exposées à des atmosphères contenant du soufre ou des dérivés du soufre (risques de carie verte ) ; une teneur en silicium supérieure à 1 % augmente les risques de fissuration au cours du soudage, il faut donc éviter les assemblages bridés ; pour les éléments écrouis par un formage à froid, il est inutile de traiter thermiquement tant que cet écrouissage est inférieur à 10 %. La norme NF A en définit trois nuances, mais les plus utilisées sont des nuances américaines définies par le nom générique Incoloy, on trouve ainsi : l Incoloy 800 et l Incoloy 800 H avec des nuances dérivées telles que l Incoloy 801, l Incoloy 802, etc. Leurs compositions chimiques sont données dans le tableau 8. Les Incoloy 800 et 800 H sont fort utilisés en chaudronnerie et présentent des particularités intéressantes. (0) A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

15 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Tableau 8 Compositions chimiques de l Incoloy 800 et de l Incoloy 800 H Incoloy 800 Constituants Teneurs (%) Carbone : Incoloy ,10 Incoloy 800 H... 0,05 C 0,10 Nickel à 35 Chrome à 23 Aluminium... 0,15 à 0,60 Titane... 0,15 à 0,60 Il est livré à l état traité annealed à 980 o C et ne doit pas être utilisé au-dessus de 600 o C. Le grain du métal est un grain fin généralement plus petit, que le grain n o 5 de la norme ASTM E ( = 65 µm) ou le grain n o 5 de la norme NF A ( = 62,5 µm). Il est généralement soudé avec des électrodes enrobées type Incoweld A ou à l arc électrique sous argon avec du fil d Inconel 82. Si un traitement thermique est nécessaire sur des éléments déjà formés et /ou assemblés par soudage, il doit être fait entre 950 et o C, maintenu 2 min par millimètre d épaisseur et suivi d un refroidissement rapide à l air ou à l eau. Incoloy 800 H Il est dit à carbone contrôlé et est particulièrement destiné aux utilisations au-delà de 600 o C ; le grain du métal doit être, normalement, au moins aussi gros que le grain ASTM n o 5. Il est livré à l état traité solution treated à o C et il est normalement soudé : pour l emploi entre 600 et 750 o C, avec des électrodes enrobées type Incoweld A ou à l arc électrique sous argon avec du fil en Inconel 82 ; pour l emploi au-delà de 750 o C, avec des électrodes enrobées en Inconel 112 ou à l arc électrique sous argon avec du fil en Inconel 625 ; en cas d applications nucléaires, avec, de préférence, des électrodes enrobées en Inconel 188 ou à l arc électrique sous argon avec du fil en Inconel 188. Si un traitement thermique est nécessaire sur des éléments déjà formés et /ou assemblés par soudage, il doit être fait entre et o C, maintenu 2 min par millimètre d épaisseur et suivi d un refroidissement rapide à l air ou à l eau. Attention, ce nouveau traitement effectué sur une pièce déjà traitée dans les mêmes conditions peut entraîner un trop fort grossissement du grain. La norme NF A concerne les aciers destinés à la construction d appareils non soumis à la réglementation sur le soudage. La norme NF A concerne les aciers destinés à la construction d appareils soumis à la réglementation sur le soudage. La première de ces normes est destinée à remplacer après mise à jour celle de même numéro NF A d avril 1981 ; elle comprend, en particulier, des nuances complémentaires à la norme NF A , des nuances austénoferritiques qui figurent dans la norme NF A ainsi que la correspondance avec des nuances américaines Incoloy 825 et Inconel 625. La seconde norme NF A donne uniquement des nuances complémentaires à celles figurant dans les normes NF A (aciers austénitiques) et NF A (aciers austénoferritiques). On y relève en particulier : des nuances type 18 Cr et 14 Ni avec une teneur en molybdène de 3 à 4 % et avec addition d azote ; des nuances diverses avec addition de cuivre ; des nuances spéciales à très bas carbone ( 0,015 % ) ; des nuances correspondant aux nuances américaines Incoloy 825 et Inconel 625. Étant donné la diversité des fluides pour lesquels ces nuances sont bien adaptées, il y a lieu de se reporter aux notices et conseils des aciéristes, aussi bien pour le choix de la nuance que pour les conditions particulières de mise en œuvre inhérentes à chacune des nuances. De toute manière, les indications générales données dans les paragraphes qui suivent sont applicables. 5.5 Traitements thermiques Généralités Ainsi que nous le verrons, plusieurs types de traitements thermiques sont utilisables. Leur choix est conditionné par les relations qu ils ont avec les problèmes de corrosion et les risques de fragilisation. Les produits utilisés pour la fabrication des appareils en acier austénitique (feuillards, tôles, tubes, pièces forgées) sont à l état normal de livraison (état hypertrempé et surfaces traitées mécaniquement ou chimiquement) dans le meilleur état possible pour résister aux différentes conditions de service pour lesquelles ils ont été prévus. Mais la fabrication des appareils entraîne fatalement des modifications plus ou moins importantes à cet état. Ces modifications nécessitent des correctifs qui sont habituellement apportés par des traitements de surface mécanique et chimique ( 6) et par des traitements thermiques dont les conditions doivent être particulièrement adaptées à la restauration nécessaire et recherchée Groupe D. Aciers austénitiques résistant à des attaques corrosives sévères Ces nuances ont été spécialement élaborées pour résister à des attaques corrosives particulièrement sévères. Chaque nuance correspond à un ou plusieurs fluides corrosifs à des températures et des concentrations bien déterminées. Du fait des conditions liées à la réglementation sur le soudage (Arrêté ministériel du 24 mars 1978), ces aciers sont maintenant définis par deux normes actuellement en cours d enquête publique Traitements thermiques Contrairement à une idée généralement répandue, le traitement thermique d hypertrempe, qui est celui subi par les produits à l état de livraison, est loin de constituer la solution à tous les problèmes et ne doit être utilisé qu à bon escient ; d autres traitements sont possibles et à la disposition des constructeurs Traitement thermique d hypertrempe Il consiste à porter les pièces à une température entre et o C, selon les nuances, à maintenir cette température pendant une durée de 2 min par millimètre d épaisseur et à refroidir ensuite rapidement soit à l air, soit à l eau. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A

16 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Ce traitement permet : la remise en solution dans la matrice austénitique des précipitations telles que, par exemple, la ferrite, la phase σ, les carbures de chrome, la martensite d écrouissage, etc., qui auraient pu se produire pendant les opérations de formage à froid, à chaud et /ou de soudage ; l adoucissement, si le traitement suit une opération de formage à froid, et, en plus, la recristallisation, si le formage à froid a entraîné un écrouissage supérieur à 15 ou 20 %. Les inconvénients de ce traitement résultent surtout de la brutalité des conditions de refroidissement. Sur des pièces élémentaires d épaisseur homogène, l homogénéité des températures au cours du refroidissement n entraîne, sauf sur des pièces d épaisseur supérieure à 50 mm, que peu de conséquences. Il n en est pas de même sur des pièces d épaisseur plus forte, de forme complexe ou sur des ensembles comportant des éléments d épaisseurs fort différentes. On constate alors des températures variables entre les différents points ; cela engendre la naissance de contraintes internes, difficilement quantifiables et localisables, et de déformations qu il faudra bien reprendre en recréant ainsi d autres contraintes internes. De plus, comme nous l avons déjà dit ( 5.2b ), sur les pièces insuffisamment écrouies, ce traitement entraîne un grossissement du grain qui, à la limite, pourra provoquer des perturbations dans le comportement aux très basses températures (inférieures à 160 ou 180 o C) Traitement thermique de détensionnement Dans tous les cas où les contraintes internes, résultant des opérations de fabrication, sont de nature à être à l origine de certaines formes de corrosion, on est généralement conduit à traiter des ensembles finis. Le traitement thermique doit donc obligatoirement être moins brutal que le précédent tout en n apportant qu un minimum de perturbations à la grosseur du grain et à la structure interne du métal. La relaxation des contraintes étant progressive pendant la montée en température, elle est pratiquement achevée quand on atteint la température prévue. Ce traitement thermique peut alors comporter : une montée en température aussi rapide que possible, mais tenant compte de la nécessité d obtenir une bonne homogénéité des températures dans la pièce à traiter ; un palier de maintien, entre 850 et 900 o C (ne pas dépasser o C), d une durée de 15 à 60 s ; un refroidissement lent, hors du four, à l air calme avec, si possible, une protection contre les courants d air. À titre d exemple, nous citerons le cas du détensionnement des courbes de tubes cintrés en épingles destinés à des échangeurs tubulaires. Le chauffage se fait par effet Joule localisé à la partie cintrée ; à l intérieur les tubes sont protégés par une faible circulation de gaz neutre (azote, argon) ; le refroidissement est facilité par une augmentation du débit du gaz neutre Traitement thermique particulier des aciers stabilisés au titane ou au niobium Après formage à chaud et /ou soudage, il est généralement très difficile de savoir si aucun carbure de chrome ne s est formé au détriment de la teneur en chrome de l austénite et, par suite, au détriment de la tenue à la corrosion. En effet, la stabilisation ne peut avoir son plein effet que si la totalité du carbone en excès est associée au titane (ou au niobium), mais les carbures de chrome se forment rapidement et dans des zones de températures allant de 500 à 850 o C, alors que les carbures de titane (ou de niobium), beaucoup plus stables, se forment plus lentement et dans des zones de températures allant de 800 à 900 o C. Il paraît évident que, au cours des opérations de formage à chaud et de soudage il est difficile d éviter la formation de carbures de chrome. Il est possible de se protéger contre ce genre d incident par l utilisation d un traitement thermique très particulier qui aura pour effet de favoriser la formation des carbures de titane (ou de niobium) qui ne se remettront plus en solution, même au cours d opérations de formage à chaud et/ou de soudage. Ce traitement thermique comprend : une montée en température jusqu à 850 à 900 o C, la vitesse de montée en température n est conditionnée que par la nécessité d une bonne homogénéité de température dans la pièce traitée ; un maintien dans cet intervalle de température pendant au moins 2 heures ; un refroidissement hors du four en air calme. Ce traitement peut être effectué : soit sur les produits de base utilisés pour la fabrication et avant la mise en œuvre ; soit sur les produits après formage à chaud ; soit sur des structures terminées. Ce traitement thermique a l avantage de permettre une excellente relaxation des contraintes internes soit vis-à-vis de la corrosion sous tension, soit pour protéger des pièces mécaniques contre toute déformation ultérieure en service tout en préservant une bonne tenue à la corrosion intergranulaire Formes ou risques de corrosion ou de détérioration et protection contre ces risques Corrosion intergranulaire Cette forme de corrosion est représentée sur la figure 15. La déchromisation locale en bordure des grains d austénite, consécutive à la formation de carbures de chrome, abaisse la teneur en chrome au-dessous d un seuil à partir duquel la tenue à la corrosion n est plus assurée vis-à-vis de certains agents corrosifs, en particulier des fluides oxydants. Pour qu un acier austénitique soit à l abri de ce risque, il faut une teneur en carbone inférieure à 0,030 %, ou, pour un carbone plus élevé mais toujours inférieur à 0,08 %, qu un élément stabilisant en quantité suffisante ait été ajouté ( et ). Figure 15 Corrosion intergranulaire (d après [5]) A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

17 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES Un écrouissage modéré, de l ordre de 10 % maximum, n a aucune incidence sur ce phénomène. Il est bien évident que, face à des risques importants de précipitations de carbures de chrome, seul le traitement d hypertrempe ( ) est efficace. Nous devons cependant ajouter que, lorsqu il y a risque de corrosion sous tension et que l on applique le traitement de détensionnement décrit au paragraphe , les fluides, qui risquent d entraîner cette forme de corrosion, ne présentent aucun danger de corrosion intergranulaire Corrosion par piqûres et corrosion caverneuse Cette dernière forme de corrosion est représentée sur la figure 16. Ces deux formes de corrosion sont le plus souvent liées entre elles. On débute par une piqûre qui se continue par une caverne. Elles se développent principalement en présence de solutions halogénées (chlorures, fluorures) et prennent naissance dans les emplacements où le film passif d oxydes de protection superficiel a été détruit (mécaniquement ou chimiquement). Une fois cette attaque corrosive commencée, il est pratiquement impossible d arrêter sa progression. Les aciers austénitiques contenant du molybdène sont moins sensibles que les autres à cette forme de corrosion. L état structural du métal, la présence de contraintes internes n ont aucune incidence sur les conditions d amorçage de la corrosion. Les traitements thermiques n apportent pas d amélioration sensible, seuls les traitements chimiques de surface et la qualité des états de surface sont susceptibles d éviter l amorçage de la corrosion Corrosion fissurante sous tension Cette forme de corrosion, représentée sur la figure 17, peut se produire en présence des mêmes solutions corrosives que la corrosion par piqûres et cavernes ; elle en est parfois le prolongement. Mais, au contraire du type précédent de corrosion, elle peut s amorcer et se poursuivre toutes les fois que les contraintes de tension sont élevées en surface (contraintes internes plus contraintes de service) et cela même si la couche passive de protection est de très bonne qualité. Comme le montre la figure 17, elle se présente sous forme transgranulaire et elle est très fortement ramifiée. La présence de molybdène dans l acier diminue le risque mais ne le supprime pas. L état structural du métal (par exemple la présence de précipitations de carbures de chrome) n a qu une incidence minime sur les conditions d amorçage et de propagation de la fissuration. L attaque corrosive une fois amorcée, il est impossible d arrêter sa propagation. Les moyens les plus efficaces utilisables seuls ou combinés et permettant d être le mieux possible à l abri de cette forme de corrosion consistent : dans le choix de contraintes de service basses ; dans l exécution du traitement thermique de détensionnement ( ) ou, pour les aciers stabilisés au titane (ou au niobium), du traitement thermique ( ) ; quelquefois par un grenaillage superficiel qui met la peau du métal en compression ; toujours par un traitement chimique de surface exécuté en fin de fabrication Fatigue corrosion La superposition de contraintes dues à des efforts de fatigue (pulsations, flexions alternées, vibrations) avec l attaque d un agent corrosif entraîne un phénomène de corrosion fissurante qui, Figure 16 Corrosion caverneuse (d après [5]) Figure 17 Corrosion fissurante sous tension (d après [5]) contrairement au cas précédent, est partiellement transgranulaire et partiellement intergranulaire. Les aciers austénitiques supportent mal les contraintes dues à la fatigue, ce sont des efforts répétés engendrant des contraintes à des niveaux dépassant parfois largement la limite élastique. L étude de la figure 14 montre en effet que toutes les fois que l on augmente la charge indiquée au niveau C, on se rapproche de la rupture, et l on diminue progressivement les capacités d allongement. Donc, si les contraintes dues à la fatigue superposées à celles dues à la pression se situent à des niveaux dépassant les possibilités de déformations élastiques, on aboutira fatalement à la rupture au bout d un temps plus ou moins long. Pour éviter ce risque, il n y a pas d autres remèdes que d étudier les épaisseurs et surtout les formes pour que l ensemble des contraintes (fatigue plus service normal) se situent à un niveau inférieur à la limite élastique à 0,2 % qui, pour ce type d acier, correspond sensiblement à la limite de fatigue Corrosion en lame de couteau Cette forme de corrosion ne se rencontre que pour les aciers austénitiques stabilisés au titane et en présence de solutions fortement Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique A

18 CHAUDRONNERIE EN ACIERS INOXYDABLES oxydantes à des températures supérieures à 80 ou 90 o C. Elle est surtout à redouter si le titane est en excès par rapport à la quantité nécessaire pour stabiliser le carbone ( 5 C % Ti 0,6 % ), et qu il est effectué une opération de soudage. Le composé intermétallique, qui se forme dans ce cas vers à o C, se dépose à la liaison métal fondu, métal de base. Un traitement thermique d hypertrempe remet ce composé en solution et élimine le risque, mais il est encore plus simple d éviter d employer les aciers austénitiques stabilisés au titane en présence de solutions fortement oxydantes et chaudes. Il est préférable d utiliser des aciers austénitiques à très bas carbone ( C 0,030 % ) Fragilisation par formation de phase Nous avons déjà évoqué ( ) ce type de précipitations (figure 18) qui atteint les aciers riches en chrome qu ils soient ou non austénitiques. Dans le cas présent, ce sont les aciers types 25 Cr-20 Ni et 24 Cr-12 Ni qui sont concernés. Un traitement thermique d hypertrempe remet la phase σ en solution et élimine en même temps la fragilisation due à la présence de cette phase Remarques Les indications données dans les paragraphes à montrent que les choix opérés au moment de la conception des appareils sont déterminants pour leur durée de vie en utilisation. Tout ce que nous venons d expliciter en détail sur les phénomènes de corrosion peut être appliqué aux aciers inoxydables non austénitiques en tenant compte des remarques déjà faites pour chaque famille et des remarques suivantes : la corrosion intergranulaire ne concerne que les aciers austénitiques ; les corrosions par piqûre et caverneuse concernent toutes les familles ; la corrosion fissurante sous tension est, à l exception des aciers austénoferritiques, applicable à toutes les autres familles d aciers, mais les fluides qui la génèrent ne sont pas les mêmes ; la fatigue corrosion ne se rencontre pratiquement que pour les aciers austénitiques ; la corrosion en lame de couteau ne concerne que les aciers austénitiques stabilisés au titane ; la fragilisation par phase σ concerne les aciers austénitiques ainsi que les aciers ferritiques à teneur de chrome supérieure à 17 %. 5.6 Essais de corrosion Ces essais, qui sont en fait des tests de références exécutés dans des conditions bien déterminées et qui ne sont pas forcément celles auxquelles l appareil sera soumis en service, ont pour but de vérifier que dans divers états (état brut de livraison, état sensibilisé par un effet thermique, état sensibilisé par une opération de soudage) l élément ou la pièce ne présentent pas de tendance à différentes formes de corrosion (corrosion intergranulaire, corrosion fissurante sous tension, corrosion par piqûre, etc.). De bons résultats aux essais donnent une bonne sécurité en utilisation, mais ne donnent pas une garantie totale car ils ne tiennent pas compte du fait que les fluides industriels n ont jamais la même composition que les fluides d essais et que, surtout, ils peuvent contenir des impuretés qui aggravent et, souvent, modifient les conditions des attaques corrosives. Exemple : l acide phosphorique en lui-même est très peu corrosif ; mais, s il a été obtenu par voie humide, il peut contenir, sous forme de chlorures et fluorures, jusqu à 300 ppm en masse d ion chlore et ppm en masse d ion fluor. Figure 18 Précipitations de phase sigma (d après [5]) 5.7 Comportement sous les effets thermiques Pour étudier ce comportement en fonction du travail à chaud, du soudage et des températures d utilisation, nous allons nous placer dans des plages successives de températures et examiner très schématiquement les effets les plus importants Températures cryogéniques de 269 à 50 o C Ce sont uniquement des températures d utilisation et seuls les aciers du groupe A ( 5.4.1) sont concernés puisque seuls ces aciers sont recommandés à ces températures. Pour ces aciers nous faisons les constatations suivantes. La résistance à la rupture et la limite d élasticité augmentent. Les normes AFNOR donnent, du reste, des indications à ce sujet. L allongement à la rupture et le coefficient de striction diminuent quand la température diminue, mais cela n influe que très peu sur la capacité de déformation plastique. La résilience diminue quand la température diminue, mais dans de faibles proportions et on n obtient jamais la rupture fragile. Pour certaines nuances d acier à bas nickel dites à austénite instable, les basses températures peuvent entraîner la formation de martensite après un séjour d au moins 24 heures à cette basse température. Ce phénomène est normal et n entraîne aucune fragilité particulière car la martensite formée est à bas carbone. Cela peut se produire toutes les fois que la température d utilisation est inférieure à la température de transformation martensitique (MS) calculée d après la formule de Echmann et Hull : MS = [1 665 (C + N) + 28 Si + 33 Mn + 42 Cr + 61 Ni] avec MS exprimée en o C, C, N, Si, Mn, Cr et Ni teneurs massiques en carbone, azote, silicium, manganèse, chrome et nickel Températures moyennes de 50 à ou 500 o C Il s agit, là aussi, de températures d utilisation, mais ce domaine de températures est celui dans lequel s effectue le formage à froid qui doit être réalisé dans la plage de 0 à 150 o C (ne pas dépasser 150 o C). Les nuances les plus concernées en utilisation sont celles des groupes A et D. A Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique